超低温保存是植物种质资源中长期保存的最佳途径,提高超低温保存冻后细胞活性并揭示其作用机制是该领域的重要科学问题。碳纳米材料（Carbon Nanomaterials,CNMs）作为新兴的纳米材料,以其优良的生物相容性在生物研究中得到应用,但尚未应用于植物超低温保存。本文拟通过研究4种不同结构的碳纳米材料对百子莲（Agapanthus praecox ssp.orientalis）愈伤组织（Non-embryonic callus,NEC）超低温保存体系的优化效果,利用交叉学科的研究手段及方法初步揭示CNMs改善百子莲NEC冻后细胞活性的作用机制,旨在为碳纳米材料在超低温保存领域的应用提供理论依据。因此,主要开展了以下研究工作:（1）以百子莲NEC为材料,通过在植物冷冻保护剂（PVS2）中添加浓度为0.1g/L,0.3g/L和0.5g/L的单壁碳纳米管（SWCNT）、富勒烯(C₆₀)、石墨烯（GR）以及石墨烯量子点（GQDs）4种碳纳米材料,以TTC值筛选出最佳外源碳纳米材料为0.3g/L C₆₀,可使百子莲NEC超低温保存冻后细胞相对存活率由23.4%提升至60.9%。此外,其他3种碳纳米材料的适宜添加浓度分别为0.1 g/L SWCNT和0.3g/L GR和0.1g/L GQDs,相对存活率分别为48.5%,33.7%和38.3%。综合考虑优化效果及成本,优先使用0.1 g/L SWCNT-PVS2和0.3 g/L C₆₀-PVS2为宜。（2）通过对比添加4种碳纳米最优浓度的冷冻保护剂（CNMs-PVS2）与PVS2（对照）的热物性指标,分析CNMs对冷冻保护剂理化性质的作用,发现在PVS2溶液中添加4种不同CNMs对玻璃化转变温度（T_g）均没有显著性影响,但添加SWCNT会降低PVS2溶液的稳定性,升温过程出现明显的放热峰,认为发生了“反玻璃化（recrystallization）”现象,存在再结晶的可能性。（3）通过拉曼光谱检测（Raman）和透射电镜（TEM）观察进行超低温保存过程中CNMs的亚细胞定位分析以及对细胞结构的影响;发现SWCNT、C₆₀和GQDs在超低温保存的脱水阶段进入NEC细胞内,其中SWCNT集中分布在细胞壁和细胞膜附近,而C₆₀集中分布在线粒体内,在洗涤阶段大部分CNMs被洗涤液移出细胞;GQDs的具体定位在透射电镜中没有发现。SWCNT和C₆₀颗粒的存在可以有效保护细胞膜结构,降低细胞损伤程度。（4）对比研究未添加的对照体系与前期筛选出的最优CNMs-PVS2体系(0.3g/L C₆₀)间的细胞氧化胁迫响应差异,结果表明C₆₀-PVS2体系主要通过抗氧化酶POD和CAT清除过量的ROS组分;qRT-PCR结果证明在脱水、冻融和洗涤三个阶段抗氧化相关基因POD、CAT、SOD的差异表达提高抗氧化酶活性,进而显著降低了H₂O₂的含量和强毒性的OH·的产生活性,有效清除了ROS组分,显著降低百子莲愈伤组织超低温保存中膜脂过氧化水平,保护了细胞内的膜结构完整性,降低了氧化胁迫的损伤程度。